新經濟背景下生活垃圾智能分揀系統設計與實踐的價值分析*

■劉策 柳楊（通化師范學院）

生活垃圾作為一項增長型資源，其具有基數大、品類多等特點，且部分垃圾含有一定的危險物質，如未對垃圾進行正確分類與處理，將對周邊環境造成嚴重的威脅。反之，采取科學處理工藝，對大量生活垃圾進行加工在利用，可帶來大量的經濟效益，例如，利用垃圾燃燒來進行火力發電，可有效減輕電力企業的運行成本。*

一、生活垃圾智能分揀系統的設計

（一）系統框架設計

本文生活垃圾智能分揀系統主要由運行導向線、自動分揀裝置等組成。運行導向線是分揀系統的引導裝置，一般分為紅色、藍色、綠色、灰色四類，以保證裝置在運行過程中，可依據顏色將信息反饋到操作系統中，以得出正確的操控指令。自動分揀裝置則由電機、攝像裝置、抓取裝置、垃圾桶、集成電路平臺等組成，其在運行過程中，依托于攝像裝置，對外界顏色信息進行獲取，將信息反饋到集成模塊，然后由操控平臺發送相應的指令需求，令裝置完成自動化運行。

（二）硬件設計

在對硬件進行設計時，應以電路操控板、攝像傳感裝置、電機驅動三部分為主體進行分析。在對電路操控板進行設計時，采用XS128 型號的單片機作為主系統，其具有多模塊運行的優勢，在運行過程中主要是對外界傳感器接收到的信息進行采集與分析，然后再依據神經網絡算法對系統下位的操作單元進行軌跡指令傳輸，以確定各操作部件的空間位置。在對電源系統進行選擇時，考慮到單片機的工作形態，其電路供給模式應包含內部供電形式、外部供電形式兩種，以確保芯片、攝像頭、分揀裝置可正確執行程序指令。

在對攝像傳感裝置進行設計時，為保證傳感器的動態化運行模式，應將其分為連續型、隔行型兩種工作模式，且圖像生成格式應為VGA，數據格式為YUV，幀頻傳輸速率為36fp，以滿足設備自身的運行需求。

電機驅動是以BTS8780 芯片為主體，內部支持的最大電流為74A，并具備邏輯性、有序性數據輸入功能。選用此類芯片主要目的由于應用形式簡便，只需在芯片處接出引腳，然后由PWM 波便可實現自動化操控。如電機驅動系統只需單項運行的話，則可將電機進行接地控制，而另一端內與芯片的第三引腳相連接便可。如電機驅動系統需進行雙向控制時，則需采取全橋的連接形式。在正確的硬件系統設計下，極大增強設備自身的機動性，同時電路操控板與電機驅動應形成一種嵌套形式，以保證數據信息可及時在兩個系統間進行傳遞，進而令電機實現單轉與反轉的實時轉變，進而滿足生活垃圾智能分揀系統的自動化運行。

（三）軟件設計

在對軟件系統進行設計時，內控程序控制是分揀裝置的上位模塊系統，為保證軟件程序運行的精準性，本文采取的設計形式是以開源式系統為主，其支持多語言開發、交互界面統一的特點。軟件在運行過程中分揀裝置一般執行下列指令，第一，系統在啟動以后，進行初始化自檢，通過攝像傳感裝置對外界信息進行確認，并將景象信息映射到數據層內，當所有信息采集完畢以后作為數據基準參數貫穿于整個運行系統中。第二，當裝置運行到固定位置后，攝像頭將對外界信息進行采集，然后進行顏色識別，此時數據信息回傳到整體主模塊操作系統中，然后系統依據顏色信息對零部件進行指令操控，如操控機械爪夾取垃圾桶。第三，待裝置將垃圾桶進行傾倒后，則源數據參數將執行復位操控，以此來實現整體化操控。

（四）機械手控制設計

智能分揀系統中的機械手作為驅動裝置，在接受系統操作指令后，正確執行指令來完成操作任務。在對機械手的空間位置設定時，圖像坐標系是攝像裝置的采集信息為主，在單個像素中，圖像空間位置則代表坐標起始點，且應將圖像架構的左頂角位置作為像素中心點，圖像整體寬度為170x140，即橫軸水平與原點之間的距離最大值為170，縱軸豎直與原點之間的距離最大值140。控制機械手運動的上位傳輸系統的固定初始距離，應以靜態機械手的位置為基準，一般設定在傳送帶的邊緣位置。從工作原理來講，機械手在運行過程中，依據攝像裝置對外界信息進行采集，經由內部數據信息處理由控制中心直接發送相關指令，令機械手完成垃圾分揀工作。數據信息在傳遞到處理模塊時，需經歷數據緩存區，通過圖像中顯示的空間節點信息來進行計算，如目標與機械手的相對空間位置、機械手的運動路徑及角速度等。在精密算法的控制下，機械手對垃圾進行拾取，此類運動過程中產生的時間段分為指令傳輸時間、緩沖計算時間、驅動執行時間三部分，其中承接攝像裝置信息傳輸及坐標定位的時間屬于系統內的向量型空間信息。

此外，在具體程序設定時，應對數據緩沖區內的信息進行分析，如在進行數據緩沖計算時，攝像裝置內有新的成像目標時，則應將目標信息納入到抓取機械手的指令范圍內，然后按照先進先出模式，執行第一個目標抓取指令。

（五）末端執行機構設計

機械臂終端操控系統屬于嵌套式鋼性連接結構，其運行功能與起重機的升降機械臂相符，在執行分揀指令時，機械臂按照系統的參數實現軌跡運行，此時，機械臂的空間運動范圍與垃圾本身具有一定的活動空間，以此來對運行中的機械臂進行空間位置調整，增強冗余精度。然而垃圾分揀裝置要想實現商用，設備外界環境因素將極大影響設備本身的工作屬性，如周邊工作條件無法與預期運動參數相契合，則在機械臂軌跡運行時，易與外界障礙物發生碰撞，當碰撞產生的作用力大于機械設備的鋼性力時，則必然加大設備自身的損耗。鑒于此，應對設備進行緩沖區域設定，確保末端執行機構在緩沖保護區域內，考慮到垃圾重量、機械臂運行強度等，應將末端執行設備的重量限值設定為50kg，且同一工作環節中的空間自由度應為6項，最大擴張半徑應小于120mm，氣動內控壓強應高于1.2MPa，允許最大的柔性形變量為30mm。采用上述設計形式，可保證設備在運行過程中，可有效減少外界環境的干擾，令設備自身可精準執行指令。

二、生活垃圾智能分揀系統的實踐

智能分揀系統在對顏色進行識別時，由于本次設計采用的紅色、藍色、綠色、灰色四類顏色，識別過程應以灰度測量數據值為主，每一種顏色所代表的灰度值具有較大偏差，在實際確認過程中，攝像裝置應精準的將數據值信息傳輸到系統模塊中，然后依據系統參數的比對，即閾值、灰度值之間的成比情況來對顏色進行選取，進而精準分析出與顏色相對應的垃圾種類。除顏色識別外，軌跡精準識別的形式也作為系統本身的工作特性，在系統接到數據成像信息時，依托于視覺技術，將芯片內的信息進行掃描識別，并將信息的產生點與顏色灰度值進行比對，如灰度值遠遠小于閾值時，則可將實際中心線作為導向，來將數據信息整合為定向參數值，進而為后續設備的運行提供精準數據服務支持。裝置在運行過程中，依托于集成操控模塊可實現分化處理，令不同工作指令在同一時間下運行，如夾取環節、數據傳輸環節、軌跡預算環節等，在內部精確算法的作用下，可對各類各環節的操作軌跡進行精準確認，在內部參數基準的限定下，令系統實現自動化、智能化操控。

在對系統尋跡的形式路徑進行檢測時，生活垃圾智能分揀系統的運行依托于整體各模塊之間的銜接形式，在外部攝像裝置對環境信息進行監測后，依據閾值與系統內的設定參數進行比對，以分析出當前分揀裝置所處的中心位置與各驅動環節的中心坐標點，然后系統內的邏輯程序將對指令進行順位發送，以制定出當前分揀裝置各系統的運行路徑。在對裝置的工作誤差進行分析時，需采用多數據綜合的方式，即將紅色、藍色、綠色、灰色四類顏色的垃圾進行基準參數設定，保證光線強度、攝像頭空間參數信息的一致，然后令生活垃圾智能分揀裝置進行周期運動，保證運行周期大于15 圈，以此來對數據進行綜合測量。智能分揀裝置在運行過程中，運行軌跡線的最大波動范圍應不超過1.5cm，以保證在攝像裝置的成像區域內，機械手的指令運行模式可將垃圾精準的投放到存儲裝置中。

三、結語

在計算機技術、信息技術的支持下，令垃圾智能分揀系統可實現智能化運行，在內部多模塊的設定下，可為系統本身提供獨立式操控系統，以滿足系統的操控需求。通過硬件與軟件的設計形式，分揀系統自身可實現多元化操控，令整體操作工藝滿足設備的各項操作行為。